第3讲传感器及其应用

第3讲传感器及其应用

基础梳理

1.传感器是这样一类元件，它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分

等，并把它们按照一定的规律转化为便于测量的电压、电流等,

或转化为电路的通断.工作过程：

2.光敏电阻和热敏电阻：都是由半导体材料制成，其特点是光照变强或温

度升高，电阻均.光照变弱或温度降低，电阻均.

3.金属热电阻：其特点是温度升高，电阻.

4.霍尔元件：通常是由半导体元件制成，其产生的霍尔电压UH=.

霍尔元件能把这一磁学量转换为电压这个电学量.

5.力传感器：其中的主要元件为应变片，它的作用是将物体形变这一力学

量转化为这一电学量.

6.温度传感器：其中的主要元件为.

7.感温铁氧体：也叫感温磁体.常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，当

温度上升到约103c时，就失去铁磁性，不能被磁体吸引了.这个温度在物理学

中称为该材料的“”或“

8.光传感器：光传感器是将转化为的装置.

易错辨析

1.所有传感器都是由半导体材料制成的.（）

2.金属材料也可以制成传感器.（）

3.传感器主要是通过感知电压的变化来传递信号的.（）

4.水银温度计是一种传感器.（）

5.话筒是一种常月的声传感器，将电信号转换为声音信号.（）

素养发展忍维为暴，能力为«

考点u常见物理敏感元件）

1.热敏电阻

(1)热敏电阻是用半导体材料制成的.分为两类：一类是正温度系数热敏电

阻，阻值随温度的升高而增大；一类是负温度系数热敏电阻，阻值随温度的升高

而减小.如果题目没有特殊说明，一般认为是负温度系数热敏电阻.其电阻随温

度变化的曲线如图所示.

(2)在做热敏实验时，加开水后要等一会儿再测其阻值，以使电阻温度与水

的温度相同，并同时读出水温.

/

乙

2.光敏电阻的光敏特性

(1)光敏电阻是把光照强弱这个光学量转换为电阻这一电学量的元件.光敏

电阻通常是由硫化镉等半导体制成，其特点是光照变强，电阻变小.在黑暗的

环境下，它的阻值很大；当受到光照并且光辐射能量足够大时，电阻值变小.

(2)光敏实验中，如果效果不明显，可将电阻部分电路放入带盖的纸盒中，

并通过盖上小孔改变照射到光敏电阻上的光的强度.多用电表一般置于“X100”

挡.

3.金属热申.阻：金属热电阻是由伯、铜等金属材料制成，能够把温度这个

热学量转化为电阻这个电学量.其特点是温度升高，电阻变大.

4.霍尔元件：通常是由半导体元件制成的一个矩形薄片，在其前、后、左、

右分别引出一个电极，如图所示.

沿PQ方向通入电流，垂直于薄片加匀强磁场B,则在间会出现电压.设

薄片厚度为/PQ方向长度为，，MN方向长度为m薄片中的载流子受到磁场

力发生偏转，使M侧电势高于N侧，造成半导体内部出现电场，带电粒子同时

受到静电力作用.当磁场力与静电力平衡时，间的电压达到恒定.

设材料单位体积的载流子数目为〃，载流子的电荷量为e,可以列出

I=neSv=neadvfqvB=cf^-,求解可得

取霍尔系数攵=5，得其产生的霍尔电压%=

对任一霍尔元件而言，k、d为定值,如果保持/恒定.如与8成正比，只

要求出UH，就可以得出B,这就是霍尔元件能把磁感应强度这一磁学量转换成

电学量的原因.

5.电容式传感器：能把多种非电学量转化为电容这一电学量.由公式C=

瑞可得电容式传感器有三类：（1）变极距式.（2）变面积式.（3）变介质式.

.JJI（2019•如东检测）某温控电路的原理如图所示,R热是半导体热敏电阻,

R是滑动变阻器，某种仪器要求在15c〜27℃的环境中工作，当环境温度偏

高或偏低时，控制器会自动启动降温或升温设备.下列说法中正确的是（）

A.环境温度降低，R热的阻值减小

B.环境温度升高，Uab变大

C.滑片P向下移动时，变大

D.调节滑片P的位置能改变降温和升温设备启动时的临界温度

.JJI如图所示，一绝缘容器内部为长方体空腔，容器内盛有NaCl的水溶

液，容器上下端装有隹电极A和C,置于与容器表面垂直的匀强磁场中，开关S

闭合前，容器两侧P、。两管中液面等高，闭合开关后（）

A.M处钠离子浓度等于N处钠离子浓度

B.M处氯离子浓度小于N处氯离子浓度

C.M处电势高于N处电势

D.尸管中液面高于。管中液面

三生活中常见的传感器）

力传感器-电子秤

声传感器一一话筒

，电熨斗

常用

温度传感器＜电饭锅

实例

测温仪

［鼠标

光传感器，

火灾报警器

1.力传感器：其中的主要元件为应变片，它的作用是将物体形变这一力学

量转化为电压这一电学量.

应变片多用半导体材料制成的，当外力越大时，弯曲形变越大，上下表面的

阻值变化就越大，如果通过应变片的电流恒定，那么上下表面的电压差就越大,

传感器输出的就是电压差.

2.温度传感器：其中的主要元件为双金属片.双金属片应用的是不同金属

的受热膨胀系数不同，从而达到控制电路通断的m的.

日光灯启动器中的双金属片，其外层材料的热膨胀系数小于内层材料的热膨

胀系数.电熨斗的双金属片上层金属的热膨胀系数大于下层，工作原理（如图）:

常温下，弹性铜片和双金属片触点是接触的，通电后，电热丝发热，当温度

升高到某一值时，双金属片上层的金属受热膨胀，形变量大于下层金属，双金属

片向下弯曲，使触点分离，切断电路；随着温度的降低，当降到某一温度时，双

金属片收缩恢复原状，两触点又接触，接通电路.

调温旋钮下压弹性铜片，可使触点分离的温度升高；上提弹性铜片，可降低

触点的分离温度，从而实现了调温控制.

3.感温铁氧体：也叫感温磁体.常温下具有铁磁性，能够被磁体吸引，当

温度上升到约103°C时，就失去铁磁性，不能被磁体吸引了.这个温度在物理

学中称为该材料的“居里温度”或“居里点”.

4.电饭锅：结构图如图所示.

I

/1=11:

/IZZ1I

其工作过程：开始煮饭时压下开关按钮，由于常温下感温铁氧体具有磁性,

永磁体将吸引感温磁体，因此手松开后这个按钮不会恢复到图示位置，则触点接

触，电路接通，这时电饭锅处于加热状态.当水沸腾时，水的温度保持沸点不变，

故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热.当饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温

度上升，当温度超过103°C时，感温磁铁失去铁磁性，由于弹簧的作用，按钮开

关将恢复到如图所示的位置，切断电源，从而停止加热.

5.光传感器：光传感器是将光信号转化为电信号的装置.烟雾式火灾报警

器是利用烟雾对光的散射来工作的.罩内装有发光二极管、光电三极管和不透明

的挡板.平时光电三极管收不到发光二极管发出的光，呈高电阻状态.当烟雾进

入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电二极管上，其电阻变小，与传

感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报.

L（2019・赣榆期中调研）下列可以用来控制电路通断的温度传感器元件

有（）

A.双金属片B.霍尔片

C.应变片D.干簧管

u如图所示是某电子秤的原理图，人只要站在踏板上，仪表G就能显

示人的体重，踏板下面的传感器R实质是一个阻值可随压力大小而变化的电阻，

显示体重的仪表G实质是理想电流表，如果不计踏板的质量，电阻R随人的体

重G变化的函数关系式为R=a—%G（q、左是常量,G和R的单位分别是N和C）.下

列说法中正确的是（）

A.传感器A是一个光电传感器

B.闭合电路测量时，电路中的电流随人的体重均匀变化

C.该秤零刻度线（即踏板空载时的刻度线）应标在电流表G刻度盘的零刻度

处

D.如果要扩大电子秤的量程，滑动变阻器*接入电路中的电阻应调大

考点3‘用〕用传感器设计并制作简单的自动控，制装置”实验））

1.传感器是构成自动控制装置的环节，理解传感器对原始信息进行捕捉和

转换的原理，是实验的第一步，例如，利用霍尔元件捕捉开关门的信息，并转换

为电路的通断，从而启动报警电路工作.

2.理解继电器的二作原理，是实验的第二步.继电器是一种电子控制器件,

它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），它实际上是用较

小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”.

图中虚线框内即为电磁继电器，。为动触点，E为静触点.当线圈力中通电

时，铁芯中产生磁场，吸引衔铁8向下运动，从而带动动触点。向下与静触点E

接触，将工作电路接通，当线圈力中电流为零时，电磁铁失去磁性，衔铁8在

弹簧作用下被拉起，动触点。与静触点£分离，自动切断工作电路.

3.利用直流电路的知识，理解电路原理，理解实验目的，能分析故障，注

意操作安全.

二J-I（1）如图甲所示为某宾馆的房卡，只有把房卡插入槽中，房间内的灯

和插座才会有电.房卡的作用相当于一个（填电路元件名称）接在干路上.

（2）如图乙所示，当房客进门时，只要将带有磁铁的卡产插入盒子0中，这

时由于磁铁吸引簧片，开关3就接通，通过继电器J使整个房间的电器的总开关

接通，房客便能使用室内各种用电器.当继电器工作时'cd相吸，打便接通.请

你将各接线端1、2、3、4、5、6、7、8、9、10适当地连接起来，构成正常的电

门卡电路.

1.（2019・启东中学）下列关于传感器的说法中错误的是（）

A.话筒是一种常用的声传感器，其作用是将电信号转换为声信号

B.电子秤所使用的测力装置是力传感器，它把力信号转化为电压信号

C.电熨斗能自动控制温度的原因是它装有双金属片，这种双金属片的作用

是控制电路的通断

D.光敏电阻能够把光照强弱这个光学量转换为电阻这个电学量

2.电饭锅中如果感温磁体的“居里温度”为103°C,下列说法中错误的是

A.常温下感温磁体具有较强的磁性

B.当温度超过103°C时，感温磁体的磁性较强

C.饭熟后，水分被大米吸收，锅底的温度会超过103°C,这时开关按钮会

H动跳起

D.常压下只要锅内有水，锅内的温度就不可能达到103C,开关按钮就不

会自动跳起

3.（2017•江苏卷）某同学通过实验制作一个简易的温控装置，实验原理电路图

如图甲所示，继电器与热敏电阻用、滑动变阻器R串联接在电源E两端，当继

电器的电流超过15mA时，衔铁被吸合，加热器停止加热，实现温控.继电器

的电阻约20。，热敏电阻的阻值R热值与温度/的关系如下表所示.

〃℃30.040.050.060.070.080.0

199.5145.4108.181.862.949.1